高效DA-AC电源装置开题报告开题报告.doc
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开题报告
论文题目:
高效DC-AC电源装置设计
学院:
动力与机械学院学号:
200731470076姓名:
纪浩
一、论文选题的目的和意义
1.1论文选题目的
当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换和控制相关,电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效处理,特别是能够实现大功率电能的频率变换,从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。
因此,电源技术不但本身是一项高新技术,而且还是其他多项高新技术的发展基础[1]。
电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段,并为现代生产和现代生活带来深远的影响。
逆变电源一般用于重要设备的电源或控制电源[2]。
由于交流电是不可存储的,所以一般通过蓄电池以直流电的方式储存,当重要设备或重要的设备的控制电源跳闸时,就自动切换至逆变输出的电源(电源相互冗余),以达到设备安全稳定运行的目的。
随着网络技术的发展,对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。
高性能的逆变电源必须满足:
高的输入功率因数,低的输出阻抗;快速的暂态响应,稳态精度高;稳定性高,效率高,可靠性高;低的电磁干扰;智能化;完善的网络功能[1]。
随着高性能的DSP控制器的出现,逆变电源的全数字控制成为现实。
逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式,现代逆变技术是一门综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等综合实用设计技术,己被广泛应用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。
随着电力电子技术的飞速发展和各行业对电气设备控制性能要求的提高,逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛,相应对逆变电源的性能要求也越来越高。
PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一,是实现电力电子技术高频化的最佳途径,也是一项理论性很强的研究工作。
它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用,以及对电力电子学技术的发展,都有十分重要的意义,是当前逆变器的发展方向之一。
软开关是逆变器的重要组成部分,软开关并不是没有损耗的,它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软开关而附加的谐振电路中的谐振元件上,总量上可能有所减少。
软开关逆变技术研究的重要目的之一是,实现PWM软开关技术,也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中使它既能保持原来的优点,又能实现软开关工作。
为此,必须把LC与开关器件组成一个谐振网络,使PWM逆变器只有在开关切换过程中才产生谐振,实现开关的零电压开通和关断,一般工作情况下则不发生谐振,以保持PWM逆变器工作特点[3][4]。
1.2论文选题意义
电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势,也是现代逆变技术发展的趋势,目前国内期刊和国际会议已有很多的文献报道。
虽然数字控制极大地简化了硬件电路,提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度,但数控变换器在实际使用中还存在许多待解决的问题,例如:
变换器开关动作对采样的严重干扰;检测的量化误差导致控制精度显著下降;高速运行下数字化脉宽调制时间分辨率的下降;开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。
在很多实际应用的场合,往往采用模拟控制和数字界面。
根据电压调节器的实现方式,可以将逆变器的控制策略分为模拟控制和数字控制两种形式。
传统的模拟控制在逆变器中应用广泛,技术成熟,控制性能优良,成本较低,但模拟控制也存在一些缺陷[5][6]:
(1)控制电路的元器件比较多,体积庞大,结构复杂。
(2)灵活性不够,硬件电路一旦设计完成,控制策略就不能改变。
(3)调试比较麻烦,由于元器件特性的差异,致使电源一致性差,且模拟器件的工作点漂移,会导致系统参数的漂移,从而给调试带来不便。
(4)模拟控制方式比较单一,较难实现先进的复杂控制算法。
(5)很难实现逆变器的网络化、智能化管理维护。
数字化是逆变电源发展的主要方向,逆变电源采用数字控制,具有以下明显数字化是逆变电源发展的主要方向,逆变电源采用数字控制,具有以下明显优点[7][8]:
(l)易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使得逆变电源的智能化程度更高,性能更完美。
(2)控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法,而不必改动硬件线路。
(3)控制系统的可靠性提高,易于标准化,可以针对不同的系统,采用统一的控制板,而只是对控制软件做一些调整即可。
(4)系统维护方便,一旦出现故障,可以很方便地通过Rs232接口或Rs485接口或uSB接口进行调试,故障查询,历史记录查询,故障诊断,软件修复,甚至控制参数的在线修改、调试,也可以通过MODEM远程操作。
(5)系统的一致性较好,成本低,生产制造方便由于控制软件不像模拟器件那样存在差异,其一致性很好,由于采用软件控制,控制板的体积将大大减小,生产成本下降。
(6)易组成高可靠性的大规模逆变电源并联运行系统,为了得到高性能的并联运行逆变电源系统,每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制,易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法,从而实现高可靠性,高冗余度的逆变电源并联运行系统。
数字式逆变电源是目前在居民中使用率比较高的逆变电源,可以完全解决传统逆变器的使用过程中的各种问题,它是计算机技术与电源技术相结合的实用型产品,是一种比较好的后备供电设备电源。
大多数的数字式逆变电源都采用开关电源方案,其脉宽调制方式有电压型和电流型两种,后者在对输出电压作误差控制调整的同时也对电流进行调整,因此具有很好的瞬变响应能力,能迅速响应输入、输出的变化和短路或过载故障,不但效率高,而且灵活性好。
电源技术的发展使得用新型、高效的开关电源取代传统电源已成为必然。
传统的稳压电源一般都是线性电源,这种电源效率低、体积大[9]。
随着技术的发展,开关电源的开关频率越来越高,使得电源的小型化、轻量化成为可能。
电源工作在开关状态,从原理上讲是低损耗的。
本方案就是用新型的数字化开关电源取代传统电源,其特点就是采用数字控制、体积小、保护完善,以实现高效的DC-AC逆变电源装置设计。
二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势
2.1国内外DC-AC电源研究现状
国外电源发展大致经历了4代:
第一代为直流电机电源,耗能大、效率低;第二代为自耦硅整流直流电源,使用自耦变压器调节输入电压,再由大功率硅整流管整流,效率较低、精度、纹波等技术指标差;第三代为可控硅电源效率较高、功率范围宽,是目前广泛使用的电源;第四代为开关型直流电源,体积小,精度、纹波系数高、可靠性高是未来直流电机驱动和电镀行业的主体电源[4]。
我国电源起步于1949年,经历了几个发展阶段,已经发展到各行各业,如机械、邮电、铁路、电子、竣工系统等都有电源开发和生产,还有大量国外产品公司进入我国,竞争逐步加剧。
当前在电源产业与电源相关的技术有:
高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术,以及诸多的地磁兼容相关技术、各种形式的功率因数校正技术、各种保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、各种变频调速技术、各种智能监测技术、各种智能化充电技术、微机控制技术、各种集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术要求。
电子设备都是根据需要而发展的,由电源的发展趋势得出电源技术研究内容的主题如何使电源设备小型化、高效率、低成本和绿化[3]。
这也是电源与电源技术发展的趋势,但这些趋势并非是彼此独立不相干的,因为各个因素之间存在权衡取舍。
数字电源控制技术的出现使更高功率密度和更高可靠性的实现成为可能。
电源变换包括两个技术方向:
一是交流电源转换为直流电源技术;二是直流电源转换为交流电源的技术,其变换装置称为逆变器。
由于交流电源的各种优点,使它成为绝大多数用电设备的统一用电形式。
因此,电源变换技术主要是指将直流电源转换为交流电源的逆变技术,使各种不同的形式的的电能适应于要求使用统一电源电压的各种用电设备,以及用于并网传输与灵活分配电源。
如今逆变电源有偏电压脉冲电压、周期间断或周期换向电流、交直流叠加等非常规直流电源;常用的特殊电源波形有:
直流单向脉冲、交流叠加直流、间断电流等,有的最广泛的为直流单向脉冲技术,即IGBT逆变电源[9]。
一般而言,DC-AC逆变器的发展可以分为如下阶段[10]:
1956-1980年为传统发展阶段。
这个阶段的特点是:
开关器件以低速器件为主,逆变器的开关频率较低,波形改善以多重叠加为主,体积重量较大,逆变效率低。
正弦波逆变器开始出现。
1960年以后,人们注意到改善逆变器波形的重要性,并开始进行研究。
1963年,F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”,为后来的优化PWM法奠定了基础,以实现特定的优化目标,如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。
1980年到现在为高频化新技术阶段。
这个阶段的特点是:
开关器件以高速器件为主,逆变器的开关频率较高,波形改善以PWM法为主,体积重量较小,逆变效率高。
正弦波逆变器技术发展日趋完善。
20世纪70年代后期,可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。
80年代以来,电力电子技术与微电子技术相结合,产生了多种高频化的全控器件,并得到了迅速发展,如功率场效应晶体管PowerMOSFET,绝缘门极晶体管IGT或IGST,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT,MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等[11]。
这就使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。
在这个时代,具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷,特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。
2.2DC-AC发展趋势
今后,随着工业和科学技术的发展,对电能质量的要求将越来越高,包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求,必须经过电力电子装置变换后才能使用,而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。
逆变电源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低,在电子和电气领域得到了极其广泛的应用[12]。
随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高,逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛,对电源性能的要求越来越高。
许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源,而是通过各种形式对电网交流电进行交换,从而得到各自所需要的电能形式。
在电力电子的应用及各种电源系统中,逆变电源技术均处于核心地位[13]。
而引入高频开关技术后,可使电源的体积和重量大幅度降低。
同时开关电源技术可改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。
近年来,逆变电源技术主要表现出以下几种
1.高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。
所以当把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~10。
将传统的电源进行改造,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。
由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
2.模块化
模块化有两方面的含义:
其一是指功率器件的模块化;其二是指电源单元的模块化。
常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准’’功率模块(SPM)。
近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化’’功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。
3.数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。
在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟
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